автореферат диссертации по электронике, 05.27.07, диссертация на тему:Исследование и оптимизация систем теплоснабжения производства электронной техники

Московский Государственный институт электронной техники

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ.

Специальность : 05.27.07 - оборудование производства электронной

техники.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

(технический университет)

л 1

На правах рукописи

Пасков Василий Викторович

Москва - 1997

Работа выполнена в Московском Государственном институте электронной техники (техническом университете).

Научный руководитель : доктор технических наук,

профессор Каракеян В. И.

Официальные оппоненты : доктор технических наук,

профессор Кандыба П. Е.,

кандидат технических наук Яковлев А. Т.

Ведущая организация : АО " НИИ МЭ" и завод " Микрон"

Защита состоится "_"_1997 г. на заседании

диссертационного совета 0.053.02.04 Московского Государственного института электронной техники (технического университета) (МИЭТ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ.

Автореферат разослан "_"_1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Б. Г. Виноградов.

Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы. Характерной особенностью центров электронной техники является их тесная связь с общегородской инженерной инфраструктурой, в связи с чем режим работы централизованного теплоснабжения оказывает непосредственное влияние на качество внутренней среды высокотехнологичных производств. В тоже время нестабильность функционирования централизованной системы очевидна из-за непостоянства нагрузок горячего водоснабжения, приводящего к перерасходу тепловой энергии и горячей воды. Уменьшение расхода сетевой воды, как способ повышения эффективности действующей открытой системы теплоснабжешы, приводит к неудовлетворительной работе систем кондиционирования воздуха и отопления производств микроэлектроники и жилых зданий. Зеленоград, как промышленный и научный центр, сосредоточивший наиболее высокотехнологичные производства, особенно требователен к стабильному теплоснабжению.

При имеющихся значительных мощностях систем централизованного теплоснабжения в условиях жестких бюджетных ограничений любое повышение их эффективности приведет к ощутимым положительным результатам как для предприятий микроэлектроники, так и для населения. Неслучайно поэтому, что г. Зеленоград включен в состав российских энергоэффективных демонстрационных зон в рамках проекта Европейской экономической комиссии ОНН "Энергетическая эффективность - 2000", который предполагает создание экономического и правового механизма, а также технических средств, способствующих успешной реализации энергосберегающих технологий. Актуальность задачи состоит, таким образом в разработке и исследовании новых технических решений, позволяющих упорядочить гидравлический режим работы тепловых сетей и устранить перерасход тепловой и электрической энергии на цели кондиционирования воздуха и отопления.

Целыо работы являются разработка и исследование всепогодных технологических схем централизованного снабжения производств электронной техники и жилых зданий, позволяющих оптимизировать

покрытие нагрузок горячего водоснабжения в экстремальных условиях, повысить качество и надежность обслуживания потребителей, а также обеспечить требуемое качество внутренней среды высокотехнологичных предприятий микроэлектроники.

Реализация поставленной цели обеспечивается решением следующих задач.

- критический анализ применяемых схем подключения установок горячего водоснабжения предприятий микроэлектроники и жилых зданий в единой системе теплоснабжения и практикуемого методического подхода к покрытию его нагрузкой;

- разработка способов стабилизации гидравлических и температурных режимов работы тепловых сетей систем централизованного теплоснабжения производств электронной техники и определение влияния технологических схем на их эксплуатационные ' показатели;

- научно-методическое обеспечение совмещенного автоматического регулирования расхода сетевой воды на тепловых пунктах закрытой системы, разработка методических основ расчета водоподогрева, водосмешения и оптимизация температурных графиков работы тепловых сетей по параметрам стабилизации и минимизации расхода воды;

- экспериментальное исследование разработанных технологических схем, определение их технико-экономической эффективности и практическая реализация в условиях производств электронной техники и жилищно-коммунального сектора.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- дальнейшее развитие научных представлений о роли погодно-климатических факторов в стабильном теплоснабжении производств электронной техники и жилых зданий и разработка концепции решения проблемы нормализации гидравлических и температурных режимов тепловых сетей производств электронной техники и жилого сектора независимо от условий внешней среды;

научно-методическое обеспечение комбинированной

технологической схемы централизованного теплоснабжения предприятий микроэлектроники и селитебных зон, избирательно сочетающих положительные качества открытых и закрытых систем;

- методические основы расчета водоподогрева и водосмешения и оптимизация температурных графиков работы тепловых сетей по параметрам стабилизации и минимизации расхода воды;

технико-экономическое обоснование предложенных

технологических схем, обеспечивающих соответствие затрат тепловой энергии температуре наружного воздуха и технологическим требованиям производств электронной техники без использования дополнительных автоматических регуляторов.

Практическая значимость работы .

1. Предложен и апробирован на практике способ подключения систем горячего водоснабжения к обратным отопительным трубопроводам в сочетании с температурным графиком с надбавкой на догрев обратной воды, позволяющий снизить расход воды и тепловой энергии на предприятиях микроэлектроники и в жилом секторе.

2. Разработана технологическая схема присоединения нагрузок горячего водоснабжения, обеспечивающая соответствие качества тепловой энергии климатическим условиям и вошедшая в материалы совещания Руководящего Комитета Международного проекта "Энергоэффективность — 2000".

3. Внедрение предложенного способа обеспечения нагрузок горячего водоснабжения в действующих системах теплоснабжения позволило снизить удельные расходы теплоносителя (сетевой воды) в тепловых сетях в среднем на 30 % и расходы тепловой энергии на цели отопления на 6-7 % при одновременном повышении качества и надежности теплоснабжения предприятий микроэлектроники и жилого сектора.

4. Примените "завключенной" схемы исключает работу подогревателей горячего водоснабжения на перегретой воде, что способствует значительному снижению накипеобразования, причем перевод тепловых пунктов открытой системы на предлагаемую схему практически не требует дополнительных работ и может быть реализован с помощью простых инженерных методов.

5. Экономический эффект от внедрения рассмотренного способа покрытия нагрузок горячего водоснабжения составляет 1,0 млн. руб. в год на 1 Гкал/час присоединенной тепловой нагрузки (в ценах 1997 г.), что особенно ощутимо в системах теплоснабжения с перегруженными

участками тепловых сетей при упорядочении гидравлического режима их работы без реконструкции.

6. Новый технологический способ покрытия нагрузок горячего водоснабжения позволяет существенно упростить системы автоматического регулирования расхода теплоты на отопление, а также создает условия для дополнительной экономии тепловой энергии на эти цели.

Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов, разработанных методик подтверждена отсутствием противоречий исходных положений известным законам гидродинамики и теплотехники, обусловлена проверками на адекватность по экспериментальным данным и сравнением с данными зарубежных исследований. Экспериментальные исследования проводились с использованием современной измерительной аппаратуры. Достоверность разработанных методик подтверждается аналитическими расчетами и техническими испытаниями. Свидетельством возможности практического применения результатов работы является их успешное использование в системе теплоснабжения г. Зеленограда.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы нашли применение при организации централизованного теплоснабжения 2-ой очереди г. Зеленограда, разработке вариантов проектов АСУЭ АО "Ангстрем" и "Микрон", а также при разработке технико-экономического обоснования перевода теплоснабжения всего города с открытой на закрытую схему.

Суммарный экономический эффект от внедрения результатов работы составил 1 млн. руб. в год на 1 Гкал/час присоединенной тепловой нагрузки в ценах 1997 года.

На защиту выносятся:

- концепция нормализации гидравлических и температурных режимов работы сетей централизованного теплоснабжения предприятий микроэлектроники и селитебных зон;

- теоретические основы совмещенного автоматического регулирования расхода сетевой воды на тепловых пунктах закрытой системы централизованного теплоснабжения;

- методика расчета водоподогрева и водосмешения и методика оптимизации температурных графиков работы тепловых сетей по

параметрам стабилизации гидравлических сопротивлений и минимизации расходов воды;

- технологическая схема подключения систем горячего водоснабжения, обеспечивающая соответствие количества тепловой энергии климатическим условиям и технологическим требованиям производств электронной техники.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинаре в Российском союзе энергоэффективности (Москва, апрель 1996 г.), расширенных техсоветах УТЭХ Правительства Москвы (февраль, июнь 1997 г.), выставке -семинаре "Москва - энергоэффективный город" (апрель, октябрь 1997 г.), международной конференции "Социальные проблемы энергосбережения" (июнь 1997 г.), семинаре "Финансовый инжиниринг" (С.-Петербург, июнь 1997 г.), международной конференции по "Совместному осуществлению проектов (инициатива США) по вопросам энергосбережения и экологии" (Прага, апрель 1996г.), академических чтениях в академии архитектуры и строительных наук (июль 1997 г.), на расширенном заседании кафедры промышленной экологии МИЭТ (октябрь 1997 г.), конференция по энергосбережению и защите окружающей среды (Коппенгаген, август 1997 г.), в Докладе ЕЭК ООН о работе по энергосбережению в Демонстрационной зоне высокой энергетической эффективности "Зеленоград".

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 9-и работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов работы и их практической реализации, списка литературы из 71 наименований и приложений. Общий объем составляет 166 страниц, в том числе 133 страницы текста, 26 рисунков, 8 таблиц и 6 приложений.

Содержание работы.

Первая глава посвящена анализу систем теплоснабжения как элемента инфраструктуры производства электронной техники. Рассматриваются основные технологические схемы централизованного теплоснабжения (открытые и закрытые) и приводятся их сравнительные

технико-экономические показатели, а также современное состояние проблемы теплоснабжения предприятий микроэлектроники и селитебных зон и отмечается, что неудовлетворительное состояние внугрипроизводственной среды, низкие эксплуатационные показатели тепло- и водообеспечивающего оборудования, перерасход тепла и воды в первую очередь связаны с органическими недостатками существующих открытых систем.

Наиболее эффективным способом повышения надежности и качества теплоснабжения в результате сравнительного анализа следует признать перевод тепловых сетей на закрытую систему при соответствующих технических решениях для различных модификаций тепловых пунктов и с учетом повышенного температурного графика. Нам представляется целесообразным создание комбинированной системы теплоснабжения, предполагающей использование положительных качеств ' открытой и закрытой схем, и предусматривающей секционирование сетей, их гидравлическую изоляцию, аккумулирование и ограничение расхода горячей воды, ее деаэрацию и умягчение, снижение расхода металла и оптимизацию режимов работы источников теплоты и тепловых сетей.

На основании анализа состояния проблемы в работе поставлены и решены следующие задачи:

1 .Разработка концепции решения проблемы стабилизации гидравлических и температурных режимов работы тепловых сетей систем централизованного теплоснабжения производств электронной техники и селитебных зон за счет сочетания преимуществ открытой и закрытой систем и определение влияния технологических схем на их эксплуатационные показатели.

2.Научно-методическое обеспечение комбинированной

технологической схемы, разработка методических основ расчета водоподогрева, водосмешения и оптимизация температурных графиков функционирования теплосетей по параметрам стабилизации внутренней среды чистых помещений и минимизации водопотребления системы.

3.Экспериментальные исследования разработанных технологических схем, определение их технико-экономической эффективности и практическая реализация рекомендаций в системе централизованного

теплоснабжения производств электронной техники и жилищно-коммунальных зон.

Во второй главе дается научно-методическое обеспечение перевода централизованного теплоснабжения производств электронной техники и селитебных зон с открытой на закрытую схему, предлагается структура такой технологической схемы и методики расчета качественного температурного регулирования в соответствии с отопительной нагрузкой, теплообменного и водосмешивающего оборудования, а также решается задача определения расхода тепла на отопление.

Предлагаемая закрытая схема реализует полностью двухтрубную систему, что позволяет практически без дополнительных ассигнований довести РТП до оптимальных мощностей с точки зрения технико-экономических показателей, управляемости, кратности водообмена в локализованных участках, возможности качественного обеспечения предприятий микроэлектроники и других абонентов. Снижение удельных расходов сетевой воды обеспечивается последовательным подключением установок кондиционирования, отопления и горячего водоснабжения на абонентских вводах, что позволяет стабилизировать расход воды на уровне расчетного значения (рис. 1).

Компенсация тепловой нагрузки горячего водоснабжения осуществляется за счет повышения температуры подаваемой воды по сравнению с требуемой по отопительному графику (рис. 2).

Теоретической основой качественного регулирования по отопительной нагрузке служит уравнение <3 = 8 • \УМ • V где Б -коэффициент эффективности; XVм = (С-с)м - меньшее значение эквивалента расхода теплообменивающихся потоков, Дж/(ск) или ккал/(ч-°С); в - расход теплоносителя, кг/с или кг/ч; с - теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг к) или ккал/(кг-°С); V = Тг - максимальная разность температур между греющим и нагреваемым теплоносителями; Т1- температура греющего теплоносителя; \.2 - температура нагреваемого теплоносителя.

В предположении линейной зависимости между температурами греющей и нагреваемой среды и определения £ в зависимости от со и и по номограмме после некоторых математических выкладок получим для температуры обратной воды т02:

Рис. 1 Принципиальная схема системы теплоснабжения с независимым присоединением совмещенных распределительных трубопроводов отопления и горячего водоснабжения к магистральным тепловым сетям.

1- сетевые насос ; 2 - котел; 3 - подпиточный насос; 4 - подающий магистральный трубопровод; 5 - подогреватель верхней ступени нагрева; 6, 7 - подогреватели подпиточной воды; 8 - обратный магистральный трубопровод; 9 - насос сырой воды; 10 - регулятор расхода, 11 - натрий-катионитный фильтр; 12 - вакуумный деаэратор; 13 - трубопровод греющей воды; 14 - регулятор температуры воды после деаэратора; 15 - трубопроводы охладителя выпара; 16 - конденсатопровод; 17 - бак-аккумулятор; 18 - обратный распределительный трубопровод; 19 - циркуляционный насос; 20 - подающий трубопровод распределительной сета; 21 - регулятор отопления; 22 - элеватор; 23 - система отопления; 24, 25 - подающий и циркуляционный трубопроводы системы горячего водоснабжения; 26 - регулятор температуры горячей воды; 27 - перемычка; 28 - регулятор температуры; 29 - регулятор давления "после себя"; 30 - подпиточный насос.

Рис. 2. График изменения температуры воды в тепловой сети, в отопительной системе и в системе горячего водоснабжения в зависимости от температуры наружного воздуха .

1 - в подающей линии тепловой сети; 2 - в системе отопления после элеватора; 3 - в обратном трубопроводе системы отопления; 4 - в системе горячего водоснабжения .

То, = t.p. + AtWQof- I Qó (1)

Температура подавемой в распределительную сеть воды Toi

равна:

Toi = tBp + Atí-(Qo)0'8 +(8t!, - -|-)-q! . (2)

где Toi, Тог - температуры поступающей на отопление и обратной воды, °С; t'« р. - расчетная температура воздуха в обслуживаемых помещениях, °С; Ato - температурный напор нагревательного прибора при расчетном режиме, °С; Qo - относительная отопительная нагрузка; бт'о = t'oi -т'02 ; t'oi ; т'02 - расчетные температуры воды в подающем и обратном трубопроводах сети, °С; 9' = т'оз - т'02 - расчетный перепад температур теплоносителя в нагревательных приборах, °С.

При Тог < tr температура воды, поступающей в отопительную систему toi и после нее Т02 определяется по тем же уравнениям (1) и (2), а температура воды в обратном трубопроводе перед установкой горячего водоснабжения Т2 = tr. Но так как температура воды после циркуляционной линии системы горячего водоснабжения снижается на величину Atu, то температура воды, возвращаемой на РТП от потребителей, будет при Т02 > tr, равна ( тог - Atu ), а при тог < tr равна (tr-Atu).

В этом случае температура воды в подающем трубопроводе определяется из следующего уравнения ti = toi + ( tr - Atu).

При центральном качественном регулировании температура воды в подающем трубопроводе внешних тепловых сетей TiBH и температура греющей воды после подогревателя верхней ступени тгт может быть определена с помощью следующих уравнений :

при условии, что разница температур между греющими и нагреваемыми потоками на выходе из подогревателя верхней ступени равна разности температур воды на входе в подогреватель нижней ступени

и при Т02 > tr

СК V/ 1

«о W„ Ет

где: XV - эквивалент расхода греющего теплоносителя через

подогреватель верхней ступени, °С; ^^о - эквивалент расхода

т

нагреваемой воды в подогревателе верхней ступени; м - меньшее значение эквивалента расхода теплоносителя через теплообменник верхней ступени; - безразмерная тепловая производительность подогревателя верхней ступени.

Температура греющей воды после подогревателя нижней ступени Т2 вн определяется из следующего выражения:

т - т - I ) (6)

2вн - 12т \у г х' '

где : Wcpг - эквивалент расхода подпиточной воды через подогреватель нижней ступени, средний за данные сутки недели; 1Х - температура холодной водопроводной воды, °С, Ъ- - температура воды горячего водоснабжения, °С.

Приведенные уравнения адекватны при двухконтурной открытой завключенной схеме в условиях локализации микрорайона.

При работе по параллельной схеме закрытой системы расход воды в распределительных тепловых сетях будет больше, чем при работе по последовательной схеме и определяется по зависимости:

п _ Оо-Ро 2^_0_гсрн. + 0,3 гвср.н. , ^ ч

р с.п. кк + „ ' V /

тгт02 1 — 5

где : Огсрн - средний расход теплоты на горячее водоснабжение за неделю, ккал/ч; ткк02 - температура обратной воды после систем отопления, рассчитанная для качественно-количественного режима работы систем отопления, °С; 1,2 - коэффициент, учитывающий увеличение расхода теплоты на цели горячего водоснабжения в выходные дни; 5- средняя температура холодной воды, °С; 0,3(3^ ср !! -расход теплоты на циркуляцию в системах горячего водоснабжения, ккал/ч; тц = 45 °С - температура воды после циркуляционных линий системы горячего водоснабжения, °С.

В случае корректировки температурного графика по суткам недели расход воды может быть также определен из уравнения ( 7 ), из

которого следует, что расход воды в распределительной сети при параллельной схеме в значительной мере зависит от температуры подаваемой в сеть воды, в связи с чем необходимо максимально использовать теплообменное оборудование РТП для повышения ее температуры.

При последовательном подключении установок отопления и горячего водоснабжения расход сетевой воды, ССК01, корректируется по выражению

г/к Гт ?'1-(т'о2-Л1'ц-0,85 ) .

Т 1 — Т 02

01 ск и

01 - скорректированный расход воды в распределительной тепловой сети, м3/ч; С01 - расчетный расход сетевой воды в распределительной тепловой сети без учета теплоотдачи регистров отопления ванных комнат, м3/ч; т'] - расчетная температура воды в подающей линии распределительной тепловой сети, °С; т'ог - расчетная температура воды после отопительной системы, °С; А1'ц - расчетный перепад температур, срабатываемый в регистрах отопления ванных комнат, °С.

Определение необходимой площади поверхности нагрева водоподогревателя при заданной тепловой производительности, конструкции и известных температурах греющей и нагреваемой сред на входе в водоподогреватель и на выходе из него производится по формуле:

с>

" ср

где: С) - тепловая производительность, Вт; К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2х°С); Айр - средняя разность температур греющего и нагреваемого теплоносителя, °С .

Потери давления воды в водоводяных и пароводяных подогревателях определяются по формуле :

Р = К Д^п ' (9)

Ар = ДРтр+АРм. = + 1С ) р п , ( Ю)

где : Артр - потери давления на трение, Па; Арм с. - потери давления в местных сопротивлениях, Па; А - коэффициент гидравлического трения ; / - длина одного хода подогревателя, м; - сумма коэффициентов местных сопротивлений; п - число секций подогревателя, соединенных последовательно.

С учетом неравномерности потребления горячей воды ее расчетный расход для водоподо1-ревательных установок Сподп на РТП (подогреватели подпиточной воды, фильтры химической очистки, вакуумные деаэраторы) определяется из выражения:

Сподп = 1,2 - в Р п (11)

Емкость баков-аккумуляторов на РТП должна устанавливаться из расчета аккумулирования горячей воды в ночные и утренние часы суток наибольшего потребления :

УбаКртп= 6 • 1,2- Ссрнгв (12)

где : 0СР'Н п, определяется по СНиП.

Производительность насосов при этом составляет 1,20°'''"™ + Сну., где Сну — нормативные утечки.

Если емкость аккумуляторов недостаточна, производительность насоса сырой воды, теплообменников нижней ступени, фильтров ХВО и вакуумного деаэратора принимаются из расчета :

С = ( в ну. + 1,2 О г"»" ) -24 -УбакРТП >

ПОДП 18

где: 24 - число часов в сутках, ч; 1,2 - коэффициент учитывающий увеличение расхода горячей воды в сутки наибольшего водопотреблення; Ону - нормативные утечки в тепловых сетях микрорайона, м3/ч; 18 - число часов, в которые в основном потребляют жители микрорайонов жилой застройки горячую воду в выходные и праздничные дни.

Суммарный расход теплоты (^ме исходя из рис. 2 в системе составляет:

Ом! = Рот + Ор + С>гвс + (Зтп ( 14 )

где : = с • вп Р ( ^.р - ) - расход теплоты в системе отопления; с -теплоемкость воды; Спр-расход теплоносителя; 1п Р и Ъ - температуры

теплоносителя и горячей воды у потребителя; <3Р = с(СпР - Сподп) (1г - Ц); Сподп - расход подпиточной воды; 1ц - температура воды после регистров отопления ванных и душевых; (^гк = с • Сподп ( Ь- - Ъ ) - расход теплоты в системе горячего водоснабжения; - температура сырой воды; <3гп = с • • Спр-Д^! + (Сир - Сподп) • ДЪ> - тепловые потери в сетях; ДЬ, ДЬ -снижение температуры воды в подающем и обратном трубопроводах.

Количество теплоты С^ртс во внешнем контуре определяется из выражения:

(^ртс = с • (Зртс ( ^м. - ) (15 )

где : СРтс - расход теплоносителя РТС; , Ь>м - температура в подающей и обратной магистралях РТС.

Таким образом непосредственный водоразбор позволяет реализовать полностью двухтрубную систему и укрупнить РТП до оптимальных мощностей с точки зрения технико-экономических показателей, гидравлической устойчивости и управляемости системы, необходимого качества воды и возможности качественного обслуживания как производств электронной техники, так и селитебных зон.

Особое внимание при строительстве РТП необходимо уделить резервированию подогревателей верхней ступени нагрева и подогревателей подпиточной воды, что может быть выполнено путем разделения подогревателей на два блока, способных работать по последовательной, параллельной схеме, а также изолированно друг от друга.

Производительность водоподготовки определяется емкостью баков-аккумуляторов, что необходимо учитывать при технико-экономическом обосновании альтернативных решений. Предпочтительнее увеличивать емкости баков-аккумуляторов горячей воды, поскольку затраты на их строительство значительно меньше затрат на водоподготовительные установки и городские водопроводные коммуникации.

Расход теплоносителя РТС и суммарный расход теплоты в системе теплоснабжения микрорайона не могут соответствовать друг другу, т. к. расход подпиточной воды, подаваемой из городского водопровода через подогреватели нижней ступени, не равен расходу подпиточной воды на горячее водоснабжение.

Расход теплоносителя в отопительных системах в значительной мере определяется качеством расчета и подбора элеваторов тепловых пунктов /рис. 3/. Эффект смешивания создается за счет вовлечения из коллектора 1 в общий поток пассивной воды высокотемпературной струей, вытекающей из сопла 2 со скоростью В камере смешения 3 поле скоростей потока выравнивается, а в диффузоре 4 поток тормозится и приобретает однородную температуру .

Исходным выражением для расчета элеваторов служит уравнение импульсов в камере смешения:

XV, 0,+ ч/12\У2 С2- \|/1з\Уз вз = Р3(Арс„+ Лр„с+ Лртр- Лрд), (16)

где: \Уз - скорости: при выходе из сопла, при входе в камеру

смешения и выходе из нее; 61, С2, вз - массовые расходы: воды из теплосети, подмешиваемой обратной воды и воды, циркулирующей в системе отопления; Бз - поперечное сечение горловины камеры смешения; АрСм, Арвс, Ард - перепады давления: создаваемый элеватором, во всасывающем коллекторе и в диффузоре; Артр - потери на трение в камере смешения .

Коэффициенты \|/ц, и ц/13 учитывают неравномерность полей скоростей во всасывающем коллекторе при входе в камеру смешения и в ее горловине.

Далее используя законы сплошности движения и сохранения движения получим характеристическое уравнение элеватора (17), которое можно использовать как для конструктивного расчета, так и для построения характеристик действующих элеваторов:

к2= 2у,2Ц2вс-Г„ р (17)

Иве

где: к2 - коэффициент, учитывающий потери энергии во всасывающем коллекторе и влияние на них формы камеры смешения; [дк -коэффициент расхода всасывающего коллектора; И, = Бз / Р2.

Таким образом непосредственный водоразбор реализует полностью двухтрубную систему с оптимизацией мощностей РТП. Максимальное использование теплообменного оборудования снижает расход воды.

Рис. 3. Схема элеватора (а), график давлений (б) и график скоростей (в).

1 2 РМ.в! 3 ИЗ 4 С1+С2

1 - всасывающий коллектор; 2-сопло; 3-камера смешения; 4-диффузор; 5-горловина камеры смешения; 6 - приемная камера; ОI, вг, Оз - массовые расходы : высокотемпературной воды из подающей линии, подмешиваемой воды из обратной линии, смешанной воды в системе отопления; Рпэ, Роэ, Рсэ - давления : в подающем и обратном трубопроводах перед элеватором, в системе отопления после элеватора; V/!, \Уз, - скорости: при истечении из сопла, при входе в камеру смешения, при входе в диффузор и при выходе из него; ДРр, ДРвс, ДРк, ДРд, ДРвс - перепады давления: располагаемый перед элеватором, во всасывающем коллекторе, в камере смешения, в диффузоре, создаваемый элеватором; Р1,1-2, Рз, р4 - сечения: на выходе из сопла, при входе в камеру смешения для подсасываемого потока (кольцевой зазор) горловины камеры смешения, на выходе из диффузора; 1«, Ь, - длины : камеры смешения и диффузора.

Разделение подогревателей подпиточной воды на два блока решает вопрос их резервирования. Производительность водоподготовки целесообразно увеличивать за счет емкости баков-аккумуляторов горячей воды, а расход воды может быть увеличен при необходимости за счет изменения коэффициента смешения элеваторов путем расчета их сопел на больший напор.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований разработанной автором опытно-промышленной закрытой системы теплоснабжения производств электронной техники и селитебных зон от РТС-4. Магистральные тепловые сети работают по повышенному температурному графику (рис. 4) по схеме рис. 5.

Программа экспериментальных исследований включала:

[.Исследование фактических режимов потребления горячей воды в летний и отопительный периоды с целью разработки оптимальных режимов подачи водопроводной воды и ее аккумулирования.

2.Определите характеристик теплообмена, деаэрации и подготовки подпиточной воды.

3.Исследование гидравлических и температурных режимов работы магистральных и распределительных тепловых сетей двухконтурной системы при различных температурах наружного воздуха за отопительный период и в летнее время.

4.Разработка и исследование систем автоматического регулирования теплопотребляющих установок абонентов с учетом особенностей их работы в различных технологических схемах.

5.Проведение мониторинга и балансовых испытаний двухконтурной системы с целью определения фактических расходов теплоты в системах отопления и горячего водоснабжения и сопоставление их с расчетными.

В результате выполнения программы экспериментов было установлено следующее:

Подключение потребителей к магистральным тепловым сетям по двухконтурной схеме приводит к снижению капитальных и эксплуатационных затрат, упрощает систему и уменьшает удельные расходы сетевой воды. При этом выявлены закономерности подачи водопроводной воды на РТП, определены эксплуатационные характеристики их теплообменных аппаратов, разработана методика

Рис. 4. График среднесуточной температуры воды в подающем трубопроводе на выходе РТС

Среднесуточная температура наружного воздуха, °С 72 72 85 98 111 123,5 123,5 123,5 т,

Рис. 5. Последовательная схема подключения установок отопления и горячего водоснабжения .

1,2 - соответственно, подающий и обратный трубопроводы распределительной тепловой сети; 3 - регулирующий клапан; 4 -элеватор; 5 - система отопления; 6 - регулятор отопления; 7 -регулятор системы горячего водоснабжения; 8,9 - соответственно, подающий и обратный стояки системы горячего водоснабжения; 10 - обратный клапан; 11 - задвижки .

термической деаэрации. Исследовано качество обработки подпиточной и циркулирующей воды и рекомендован способ повышения ее качества путем увеличения кратности обмена, надежной работы вакуумной деаэрационной установки и защиты герметиком деаэрированной воды от ее аэраций в баках-аккумуляторах. Сопоставление удельных расходов воды РТС на опытном РТП с удельными расходами автоматизированных ЦТП закрытой системы показывает , что средний удельный расход сетевой воды на РТП был в 1,37 раз меньше, что иллюстрирует преимущества двухконтурной системы с РТП по сравнению с типовой схемой с ЦТП, используемой в г. Москве.

Предложен способ регулирования отпуска тепла на цели отопления без использования подмешивающих насосов на ЦТП, исключающий вертикальную разрегулировку системы отопления , что является следствием саморегулирующего влияния естественной циркуляции в системах отопления.

Анализ режимов работы двухконтурной системы показал ее эффективность, состоящую в снижении удельных расходов сетевой воды в ^агистральных и распределительных тепловых сетях, рациональном использовании тепловой энергии, стабилизации гидравлических и температурных режимов трубопроводов.

Четвертая глава посвящена оптимизации технологических схем теплоснабжения предприятий микроэлектроники и селитебных зон, включающей разработку технических решений по закрытию системы теплоснабжения и их технико-экономический анализ, расчет и подбор необходимого оборудования, рекомендации по созданию АСУ ТП РТС, ЦТП и АСУЭ предприятий микроэлектроники, рекомендации по использованию теплонасосной установи!, а также модернизации систем отопления и горячего водоснабжения.

В основу разработанных автором или при его участии технологических схем тепловых пунктов заложен принцип использования обратной сетевой воды для целей горячего водоснабжения. Такое мероприятие обеспечивает экономию тепла и электроэнергии порядка 8 - 10 % и 25 - 35 % соответственно при одновременном улучшении внутрипроизводственной среды предприятий и микроклимата в жилых домах независимо от времени года.

Сравнительный технико-экономический анализ закрытой системы с догревом обратной воды и закрытой системы со смешанным подключением подогревателей горячего водоснабжения показал более высокую экономичность первой схемы как по капитальным (на 10 %), так и по эксплуатационным затратам (на 12%).

Разработаны рекомендации по созданию АСУ ТП теплоснабжения, позволяющей получить значительную экономию от снижения расхода газа, повышения КПД котлов, снижения электропотребления, оптимизации гидравлических режимов работы теплосети и снижения расхода воды. Рекомендации по автоматизации теплопотребления были реализованы в производственно-административном здании. Проведена работа по использованию теплонасосной установки для утилизации тепла сбросных очищенных вод станции аэрации и последующего подогрева части подпиточной воды, поступающей из системы 'хозяйственного водопровода.

С целью утилизации теплового потенциала обратной воды после вентиляционных систем и систем кондиционирования воздуха предприятий электронной промышленности разработан способ подключения отопительных систем (заявка на патент № 95-104076 от 18 августа 1995 г. "Способ подключения нагрузки отопления в системах централизованного теплоснабжения"), в котором (рис. 6) обратная вода после указанных теплоиспользующих установок через обратный клапан 6 подается непосредственно в подающий трубопровод отопительной системы, температура в котором, в соответствии с отопительным графиком, поддерживается путем подачи в него через регулирующий клапан 15 дополнительного расхода воды из теплосети через трубопровод 14.

Причем при избыточном количестве обратной воды после предвключенных теплоиспользующих установок 4 часть ее сбрасывается в обратную магистраль 16 теплосети через клапан 10 регулятора перепада давления 11, а при недостаточном ее количестве производится автоматическое включение смесительного насоса 13.

Использование обратной воды от других теплоиспользующих установок в отопительных системах позволяет с одной стороны утилизировать тепловой потенциал этой воды и, в тоже время, создать необходимую циркуляцию воды в отопительной системе с частичным

Рис. 6. Способ подключения нагрузки отопления в системах централизованного теплоснабжения.

1

^ и

1,-прямая магистраль; 2. - регулирующий клапан температуры в системе вентиляции; 3. - сервопривод; 4. - теплоиспользующая установка; 5. -обратная магистраль из системы вентиляции, 6. - обратный клапан; 7. -прямая магистраль системы отопления; В. - трубы стояков отопительной системы; 9. - отопительные приборы; 10. - регулирующий клапан перепада давления; 11. - регулятор перепада давления; 12. - обратная магистраль системы отопления; 13 - смесительный насос; 14. -трубопровод прямой теплосети в отопительной системе; 15. -регулирующий клапан температуры в отопительной системе; 16. -обратная магистраль.

использованием или вообще без использования смесительных насосов. Последнее зависит от соотношения тепловых нагрузок отопительных систем и других, подключенных к этой же теплосети, теплопотребляющих установок. Наибольший эффект от применения предложенного изобретения в г. Зеленограде может быть получен именно на предприятиях электронной промышленности, на которых вентиляционные тепловые нагрузки в 3-4 раза превышают отопительную нагрузку, так как в этом случае при работе отопительных сетей по графику 150- 70 °С расход воды, поступающей после вентиляционных установок в подающий трубопровод отопительной системы будет достаточен для обеспечения необходимой циркуляции в отопительных системах, работающих по температурному графику 95 - 70 "С, а так как после вентиляционных систем, как показывает практика, обычно входит обратная вода с завышенной температурой, то утилизация ее в отопительных системах дает еще больший эффект по снижению расхода сетевой воды на данном предприятии.

Использование предлагаемого изобретения возможно и при параллельном подключении к магистральным тепловым сетям нескольких отопительных установок. При этом предвключенные отопительные установки постоянно работают со смесительными или циркуляционными насосами (при независимой схеме присоединения), а в подающие трубопроводы завключенных отопительных установок отводится вода после предвключенных установок. Это позволяет большую часть отопительного сезона вообще не использовать смесительные насосы в завключенных отопительных установках.

Разработаны схемно-технологические решения и подробная спецификация на автоматизацию 20 ЦТП в рамках Программы импорта энергосберегающих и природоохранных оборудования и технологий (ПИЭПОМ) для реализации проекта «Автоматизация технологических процессов выработки и транспорта тепла в централизованной системе теплоснабжения г. Зеленограда".

Предложены мероприятия по модернизации систем отопления и горячего водоснабжения селитебных зон, состоящих в реконструкции ИТП и оснащении их пластинчатыми теплообменниками, насосами, узлами коммерческого учета и средствами автоматического

регулирования, а также разработаны варианты концепции энергосбережения предприятий микроэлектроники АО «Ангстрем» и «Микрон», преследующие цели воспроизводимости техпроцессов, повышения управляемости энергетикой предприятий, снижения энергоемкости продукции н повышения процента выхода годовых.

Основные результаты работы.

В рамках решения важной экономической и экологической проблемы - исследования и оптимизации систем теплоснабжения производств электронной техники в диссертационной работе установлено:

1. Распределительные тепловые сети с непосредственным водоразбором позволяют реализовать полностью двухтрубную систему от источника до теплового пункта потребителя, что дает возможность оптимизировать мощности РТП по параметрам технико-экономических показателей, гидравлической устойчивости и управляемости системы, необходимого качества внутренней среды производств микроэлектроники и жилого сектора. Расход воды в распределительных сетях по параллельной схеме больше, чем при последовательной. Повышение температуры воды ведет к снижению ее расхода.

2. Особое внимание при строительстве РТП необходимо уделить резервированию подогревателей воды, за счет разделения на два блока, способных работать по различным схемам. Повышение производительности водоподготовки экономически целесообразно за счет увеличения емкости баков-аккумуляторов, что менее затратно, чем водоподготовительные установки и городские водопроводные коммуникации.

3. Расход теплоносителя РТС не может соответствовать суммарному расходу теплоты в системе теплоснабжения по причине неравенства расходов подпиточных вод через подогреватели нижней ступени и на горячее водоснабжение. Двухконтурная схема подключения потребителей к магистральным тепловым сетям экономически целесообразна благодаря незначительным капитальным и эксплуатационным затратам и технически оправдана в связи со

снижением расхода воды и повышением гидравлической устойчивости системы.

4. Установлены закономерности подачи водопроводной воды на РТП, определены эксплуатационные характеристики их теплообменных аппаратов, разработана методика термической деаэрации, исследовано качество обработки воды и рекомендован способ его повышения путем увеличения кратности обмена, деаэрации и защиты герметиком.

5. Сопоставление удельных расходов воды на опытном РТП с удельными расходами автоматизированных ЦТП закрытой системы показывает, что средний удельный расход сетевой воды в первом случае в 1,37 раз меньше, что иллюстрирует преимущества двухконтурной системы с РТП по сравнению с типовой схемой с ЦТП, используемой в г. Москве. Предложенный способ регулирования отпуска тепла без использования подмешивающих насосов на ЦТП, исключает вертикальную разрегулировку системы и оптимизирует расход воды в отопительный системе.

6. Эффективность двухконтурной системы состоит в снижении удельных расходов сетевой воды в магистральных и распределительных тепловых сетях, рациональном использовании тепловой энергии, стабилизации гидравлических и температурных режимов трубопроводов. Разработанные технологические схемы тепловых пунктов основаны на использовании обратной сетевой воды для целей горячего водоснабжения, что обеспечивает экономию тепла и электроэнергии в размере 8-10 % и 25 - 35 % соответственно при одновременном повышении точности параметров микроклимата производств электронной техники и качества теплоснабжения жилищно-коммунального сектора.

7. Произведены расчет и подбор оборудования для перевода на закрытую систему горячего водоснабжения предприятий микроэлектроники и жилого сектора города. Разработаны рекомендации по созданию автоматизированной системы управления технологическими процессами теплоснабжения разного уровня, внедрение которой приведет к значительному экономическому и экологическому эффекту за счет снижения расхода газа, повышения КПД котлов, снижения расхода электроэнергии, оптимизации гидравлических режимов работы теплосети, снижения расхода воды.

8. Реализован проект автоматизации системы теплопотребления производственно-административного здания, разработана проектная документация на систему автомагического регулирования 20 ДТП, работающих в зоне РТС-4 по «закрытой» схеме. Разработаны рекомендации по модернизации и реконструкции систем отопления и горячего водоснабжения в жилых домах с возможной экономией электроэнергии порядка 15-25 %, предложены мероприятия по энергосбережению крупнейших производств электронной техники АО «Ангстрем» и «Микрон» .

Основные положения диссертации опубликованы в работах: 1. Ласков В.В. Повышение эффективности работы систем теплоснабжения.// Водоснабжение и санитарная техника. 1996, № 5, 2с.

.2. Пасков В.В. О реализации в г. Зеленограде проекта комплексной автоматизации 20 ЦТП в зоне действия РТС-4 "Малино".// Сб. статей "Социальные проблемы энергосбережения" 1997, №5, с.9-10.

3. Пасков В.В. Комплексная модернизация и автоматизация системы теплоснабжения жилого района в г. Зеленограде.// Сб. статей и докладов "Международной конференции по совместному осуществлению проектов (инициатива США) по вопросам энергосбережения и экологии". Прага: 1996, 2с.

4. Пасков В.В. Раздел "Инженерное оборудование". ТЭО Концепция комплексной реконструкции и модернизации застройки территории муниципального округа "Щукино" г. Москвы, 1996, 90с.

5. Пасков В.В. Принципы создания АСУ ТП теплоснабжения с модернизацией системы и переходом от открытой системы к независимому подключению потребителей.// Сб. докладов академических чтений "Инженерная инфраструктура в условиях реконструкции городской среды". М.: Академия архитектуры и строительных наук, 1997, 5с.

6. Пасков В.В., Прасолов В.Н. Проект АСУ ТП теплоснабжения муниципального округа "Крюково" в Зеленограде. Журнал "Энергосбережение", № 5,6, 1997, Зс.

7. Якимов B.J1., Пасков В.В. Реконструкция тепловых пунктов открытых систем теплоснабжения. Материалы семинара "Москва -энергоэффективный город", 22-24 апреля 1997г., с.6.

8. Пасков В.В. Реконструкция тепловых пунктов с применением западных технологий. Материалы семинара "Москва -Энергоэффективный город", 23-24 апреля 1997г., с.7.

9. Пасков В. В., Прасолов В. Н., Инженерно-технические решения по энергосбережению на объектах теплоэнергетического хозяйства Демзоны высокой энергетической эффективности "Зеленоград". Доклад руководящему Комитету (Steering Comitee) программы "Energy Efficience-2000", "ЕЭК" ООН, Женева, 1997 г., 2с.

Зак.ЛС/ Wuf SO.Ohe.Jc